Схема экспериментальной установки для ГВГ и ускорения электронов на плазменном зеркале кГц. Авторы и права: Сверхбыстрая наука (2022 г.). DOI: 10.34133/2022/9893418

Когда интенсивный лазерный импульс ионизирует поверхность твердой мишени, он создает плазму настолько плотную, что она непроницаема для лазера, даже если мишень изначально была прозрачной. Теперь лазер отражается от этого «плазменного зеркала». В релятивистском режиме поверхность зеркала больше не просто неподвижна, но вынуждена колебаться так быстро, что благодаря процессу, называемому релятивистской поверхностной генерацией высоких гармоник (SHHG), она временно сжимает циклы электромагнитного поля лазера.

Это концентрирует лазерную энергию дальше во времени и делает плазменные зеркала многообещающим способом генерации еще более интенсивных и коротких лазерных импульсов.

Однако их использование и точное управление предъявляют чрезвычайно высокие требования к управляющему лазеру, такие как безупречное пространственно-временное качество импульса и временной контраст, а также огромная пиковая мощность в тераваттах. Это было достигнуто только в однократных экспериментах, проведенных с гораздо большими лазерами, которые работают с частотой повторения ≤ 10 Гц.

Команда во главе со Стефаном Хесслером и Родриго Лопес-Мартенсом теперь сообщает о доказательствах релятивистской SHHG, управляемой частотой повторения в килогерцах. Одновременно с излучением ГВГ наблюдается коррелированный пучок релятивистских электронов. Это важный шаг от исследовательских экспериментов с несколькими выстрелами к пригодному для использования вторичному излучению и источнику частиц.

Ключевым элементом этого прогресса является тераваттный лазер собственной разработки с частотой повторения килогерц, обеспечивающий длительность импульса до <4 фемтосекунд и временной контраст (между интенсивностью импульса на пике и 10 пикосекундами ранее) 10 ¹⁰ . Другой — платформа лазерно-плазменного взаимодействия, адаптированная к высокой частоте повторения и позволяющая точно контролировать условия взаимодействия.

Это достигается, в частности, за счет предшествующего лазерного импульса, который инициирует создание и расширение плазмы. Изменение временной задержки, после которой запускается следующий основной управляющий импульс, позволяет исследователям контролировать градиент плотности в нанометровом диапазоне на поверхности плазменного зеркала. Впервые подробно изучен эффект этого градиента для трех все более коротких и интенсивных управляющих импульсов.

На следующем этапе ученые планируют перефокусировать излучение, отраженное от плазменного зеркала, и достичь рекордно высокой интенсивности света для световых импульсов короче фемтосекунды.